ПРИКЛАДНАЯ ЭНЗИМОЛОГИЯ. Учебное пособие

Рис. 13а. Смешанное ингибирование при более прочном связывании ингибитора с ферментом.

5смешанное ингибирование

при Ki2 < Ki1

Рис. 13б. Смешанное ингибирование при более прочном связывании ингибитора с фермент-субстратным комплексом.

31

Рис. 14б. Смешанное ингибирование при равных константах связывания в обратных координатах.

Таким образом, неконкурентное ингибирование – частный случай смешанного при численном совпадении обоих констант ингибирования.

5.Основные свойства ферментов

5.1.Отличия ферментов от неорганических катализаторов

От неорганических катализаторов ферменты отличаются рядом характерных особенностей, которые перечислены ниже.

Ферменты чрезвычайно эффективны и проявляют в 108 – 1020 раз более высокую каталитическую активность: 1 молекула фермента может превратить от 1000 до 1 млн. молекул субстрата за 1 минуту. Эта скорость недостижима для небиологических катализаторов.

Ферменты проявляют каталитическую активность в условиях умеренной температуры (температура тела), нормального давления и в области близких к нейтральным значениям рН среды.

Ферменты отличаются высокой специфичностью действия в отношении как химической природы субстрата, так и типа реакции, т.е. каждый фермент катализирует в основном только определенную химическую реакцию.

Ферменты термолабильны и неустойчивы по отношению к кислотам и щелочам.

33

Активность ферментов в клетках строго контролируется: воздействуя на фермент, можно регулировать скорость соответствующей реакции.

Ферменты не вызывают в отличие от неорганических катализаторов каких-либо побочных реакций.

Скорость ферментативной реакции прямо пропорциональна количеству фермента.

5.2. Специфичность действия ферментов

По субстратной специфичности – способности избирательно ускорять определенную реакцию – различают ферменты, обладающие абсолютной специфичностью (т.е. действующие только на одно конкретное вещество и катализирующие только определенное превращение этого вещества), и ферменты, обладающие

относительной или групповой специфичностью (т.е.

катализирующие превращения молекул, обладающих определенным сходством) и стереоспецифичностью.

Так, ферментом с абсолютной специфичностью являются уреаза, катализирующая гидролиз мочевины:

Относительная субстратная специфичность характерна для многих ферментов, катализирующих превращение группы субстратов сходной химической структуры. Например, алкогольдегидрогеназа катализирует превращение этанола и других алифатических спиртов, но с разной скоростью.

Примером стереохимической субстратной специфичности является фумаратгидратаза, которая катализирует превращение только одного стереоизомера субстрата:

34

Малеинат

Фермент катализирует присоединение молекулы воды к кратной связи транс-аниона фумаровой кислоты, но не к ее стереоизомеру – цис-аниону малеиновой кислоты. Фермент лактатдегидрогеназа катализирует превращение только L-формы молочной кислоты, но полностью инертен к ее D-форме.

5.3. Термолабильность ферментов

Чувствительность к изменению температуры, является одним из характерных свойств ферментов.

Оптимальной температурой для действия большинства ферментов является 37 – 45 °С (рис. 15). При низких температурах (0° или ниже) ферменты, как правило, не денатурируются, хотя активность их падает почти до нуля.

Рис. 15. Зависимость скорости ферментативной реакции от температуры

На восходящем участке кривой скорость ферментативной реакции по закону действующих масс пропорциональна температуре, нисходящая ветвь кривой обусловлена в основном денатурацией фермента и, как следствие, дезинтеграцией его активного центра.

35

5.4. Влияние рН среды на активность ферментов

Ферменты крайне чувствительны к изменению концентрации водородных ионов. При этом меняется степень ионизации функциональных групп в боковых радикалах аминокислотных остатков, особенно в активном центре фермента, что приводит к изменению конформации белковой макромолекулы. Изменение рН влияет также на степень связывания фермента с субстратом. Как и температурная зависимость, рН-зависимость скорости ферментативной реакции имеет колоколообразную форму (рис. 16).

Функциональные группы активного центра фермента наиболее эффективно взаимодействуют с субстратом, имея оптимальную степень ионизации, обусловленную соответствующим значением рН. Это соответствует максимальной скорости реакции; отклонение от этих значений приводит к снижению скоростей реакций, а при крайних значениях рН – и к денатурации белка-фермента.

Влияние рН на образование фермент-субстратного комплекса, кроме ионизации функциональных группировок фермента, может оказывать существенное влияние на определенные группы субстрата, что также влияет на скорость реакции.

Рис. 16. Зависимость скорости ферментативной реакции от рН среды.

При графическом изображении на кривой колоколообразной формы имеется определенная точка, при которой фермент проявляет максимальную активность; эту точку называют оптимумом pH среды

36

для действия данного фермента (рис. 16). В табл. 2 приведены оптимальные значения pH среды для ряда ферментов.

Таблица 2.

6. Классификация и номенклатура ферментов

Международный союз биохимии и молекулярной биологии в 1961 г. разработал систематическую номенклатуру, согласно которой все ферменты разбиты на 6 основных классов в зависимости от типа катализируемой химической реакции.

Каждый фермент имеет общепринятое рабочее название, и систематическое, применяемое для однозначной идентификации фермента. Рабочие названия образуются из объединения названия субстрата, типа реакции и окончания "-аза". Например: ЛАКТАТ + ДЕГИДРОГЕНизация + АЗА = ЛАКТАТДЕГИДРОГЕНАЗА. Систематическое название фермента формируется следующим образом:название субстратов: название типа химического превращения + аза. Та же лактатдегидрогеназа будет иметь систематическое название "L-ЛАКТАТ:НАД+ ОКСИДОРЕДУКТАЗА".

Каждый из шести классов ферментов имеет свой порядковый номер, строго закреплённый за ним.

I. Оксидоредуктазы – ферменты, катализирующие окислительно-восстановительные реакции. с участием двух субстратов (перенос е- или атомов водорода с одного субстрата на другой). К числу оксидоредуктаз относятся дегидрогеназы,

37

участвующие в энергетических процессах. В этот подкласс входят ферменты, катализирующие реакции дегидрирования (отщепления водорода). Все ферменты этой группы обладают высокой субстратной специфичностью.

Пример реакции:

II. Трансферазы– ферменты, которые катализируют обратимые реакции внутримолекулярного или межмолекулярного переноса атомов или группы атомов. Подразделяют в зависимости от переносимой группы: аминотрансферазы, ацилтрансферазы, метилтрансферазы, фосфотрансферазы (киназы).

Пример реакции:

III. Гидролазы – ферменты, катализирующие реакции гидролиза, т.е. реакции расщепления веществ с присоединением элементов воды по месту расщепляемой связи. Пример реакции:

Наименование ферментов составляют по формуле "субстратгидролаза" или прямым присоединением к названию субстрата суффикса "аза", например протеаза, липаза, фосфолипаза, рибо-

38

нуклеаза. Для отдельных классов гидролаз применимы специальные термины, характеризующие гидролиз определённой химической связи: эстеразы, фосфатазы и др.

Гидролазы широко представлены в живых организмах. К ним относятся ферменты, участвующие в переваривании белков, углеводов, и липидов в желудочно-кишечном тракте (протеазы, гликозидазы и липазы соответственно). Многие гидролазы применяются в пищевых технологиях.

IV. Лиазы – ферменты, катализирующие отщепление от субстратов негидролитическим путём определённой группы или присоединение молекулы воды по двойной связи. При отщеплении могут элиминироваться СО2, Н2О, NH2, SН2 и другие группы.

Пример реакции:

V. Изомеразы – ферменты, которые катализируют различные внутримолекулярные превращения. Подразделяют в зависимости от типа реакции изомеризации. Например, фермент фосфоглюкоизомераза катализирует изомерные превращения гексоз:

Глюкозо-6-фосфат Фруктозо-6-фосфат

Изомеразы могут катализировать внутримолекулярные окислительно-восстановительные реакции, осуществляя взаимопревращения альдоз и кетоз, или перемещения двойных связей внутри молекулы.

Пример реакции:

39

Когда изомеризация состоит во внутримолекулярном переносе группы, фермент называют «мутазой».

VI. Лигазы (синтетазы) – ферменты, которые катализируют реакции присоединения двух молекул с образованием ковалентной связи. Этот процесс энергозависимый и сопряжён с разрывом фосфоэфирной связи в молекуле АТФ или с разрывом макроэргических связей других соединений. Пример реакции с использованием энергии гидролиза АТФ:

Пример реакции, в которой используется энергия макроэргической связи, заключённой в молекуле субстрата:

Разделение ферментов на классы строгое и не допускает произвольного изменения номеров. Каждый класс состоит из многочисленных подклассов и подподклассов с учётом химической группы субстрата, превращение которой катализирует фермент, донора и акцептора преобразуемых группировок и т.д. Например, гидролазы (класс 3) по типу гидролизуемых субстратов делятся на ферменты, катализирующие гидролиз эфиров карбоновых кислот (подкласс 3.1), гликозидов (подкласс 3.2), простых эфиров и тиоэфиров

40